[发明专利]基于小频差与光束分离的激光外差干涉测量方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于激光应用技术领域，主要涉及一种基于小频差与光束分离的激光外差干涉测量方法与装置。 

背景技术

激光外差干涉测量因其具有抗干扰能力强、测量范围大、信噪比高和易于实现高精度等特点而被广泛应用于超精密加工、光刻机以及三坐标测量机等领域。随着超精密工程的不断发展，对加工精度和生产效率提出越来越高的要求；同时也对外差干涉测量的测量精度、分辨率和速度都提出了新的挑战。 

在激光外差干涉测量中，非线性误差严重限制了测量精度和分辨率的进一步提高，国内外学者对激光外差干涉非线性误差进行了大量的研究。非线性误差源于干涉光路中的光学混叠，传统的干涉测量系统无法避免干涉测量中的光学混叠，限制了其测量精度和分辨率的提高。 

T.L.Schmitz和J.F.Beckwith提出了一种干涉仪改造的方法(Ascousto-optic displacement-measureing interferometer：a new heterodyne interferometer with Anstromlevel periodic error.Journal of Modem Optics 49，pages 2105-2114)。相较于传统的测量方法，该方法将声光移频器作为分光镜，将测量光束和参考光束进行分离。该方法可以减小参考光和测量光的频率混叠，有利于减小测量的非线性误差，从而提高测量精度和分辨率。但是，该装置结构复杂且特殊，无法广泛应用于超精密加工与测量中。 

Ki-Nam Joo等研制了一种新型激光干涉测量结构(Simple heterodyne laser interferometer with subnanometer periodic errors.Optics Letters/Vo1.34，No.3/Fe bruary 1，2009)。该结构是参考光束与测量光束在空间上分离，消除了干涉测量中的频率混叠，完全消除非线性误差，从而提高测量精度以及测量分辨率。此外，该装置结构简单，成本低，相较于前一种测量方法，更有利于在超精密测量领域 的应用。但是该方法测量速度依旧受光源频差的制约，限制了其在高速测量领域的广泛使用。 

以上几种干涉测量方法及装置均存在测量速度受光源频差制约的问题。随着超精密加工对测量速度要求的不断提高，干涉仪光源的频差也不断地增大，从而导致激光光源的结构越来越复杂，成本越来越昂贵，严重限制了激光干涉测量的广泛应用。而且测量分辨率与测量速度存在冲突。为了同时提高干涉仪的测量速度与分辨率，国内外学者对信号处理系统进行了大量的研究并提出了相应的解决方案，但现有信号处理系统一般都结构复杂、成本昂贵且需要很多特殊设计的芯片；并且受现有半导体芯片水平的限制，干涉测量性能提升困难。 

综上所述，现有激光外差干涉测量方法均无法同时满足超精密加工测量对干涉仪的高精度和高测量速度的要求，严重限制了超精密加工测量领域的发展。 

发明内容

针对上述现有激光外差干涉仪的不足，本发明提出了一种基于小频差与光束分离的激光外差干涉测量方法与装置，提高激光外差干涉的测量精度，解决激光光源频差对测量速度限制的问题。 

本发明的目的通过以下技术方案实现： 

1、一种基于小频差与光束分离的高速超精密激光外差干涉测量方法，该方法步骤如下： 

(1)稳频激光器输出两束频率分别为f₁、f₂的平行光束； 

(2)稳频激光器输出的两束平行光束的一部分直接经探测后转换为激光外差干涉测量的参考信号，其频差值为f_b＝f₁-f₂，表示为I_r∝cos(2πf_bt)； 

(3)稳频激光器输出的两束平行光束的另一部分被非偏振分光棱镜分为参考光束和测量光束； 

(4)参考光束中，频率分别为f₁、f₂的两光束被参考棱镜反射回非偏振分光棱镜；